高幅度任意波形/函數(shù)發(fā)生器簡化汽車、半導體、科學和工業(yè)應用中的測量

　　許多電子設(shè)計應用要求的激勵源幅度超出了當前市場上大多數(shù)任意波形/函數(shù)發(fā)生器的能力，包括電源半導體應用，如汽車電子系統(tǒng)和開關(guān)電源中廣泛使用的MOSFETs和IGBTs，氣相色譜和質(zhì)譜檢測器使用的放大器，以及科學和工業(yè)應用中使用的其它設(shè)備。

　　一般來說，任意波形/函數(shù)發(fā)生器為50歐姆負荷提供最高10 Vpp的幅度，為開路提供最高20 Vpp的幅度。上述設(shè)備通常在兩倍的輸入范圍上工作。直到現(xiàn)在，在整個工作范圍上測試這些設(shè)備通常要求使用一臺放大器，來提升標準發(fā)生器提供的信號。這種方法提高了測試設(shè)置的復雜性，給放大器輸出上的有效幅度帶來了不確定性，增加了設(shè)備成本。

　　本文描述了使用外部放大器生成高幅度信號的傳統(tǒng)方法，然后討論了典型應用，說明了使用集成高幅度階段的新型任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器的各種優(yōu)勢。

　　傳統(tǒng)方法

　　                        圖1 使用外部放大器時的測量設(shè)置

　　圖1是標準任意波形/函數(shù)發(fā)生器的典型測量設(shè)置，它增加了一臺放大器，把幅度提升到要求的水平。發(fā)生器輸出連接到放大器輸入上。某些放大器允許配置輸入和/或輸出，以與不同的源阻抗和/或負荷阻抗相匹配。一般來說，提升幅度的放大器沒有顯示器，因此必須使用示波器或其它測量設(shè)備監(jiān)測有效輸出幅度。這進一步提高了測量設(shè)置的復雜性，要求額外的時間，特別是在測試前和測試期間需要調(diào)節(jié)和檢驗幅度水平時。

　　測量電源MOSFET上的開關(guān)時間

　　電源MOSFET用于各種汽車運動控制、電源管理和氣候控制應用中。它們驅(qū)動小型馬達、螺線管、防抱死剎車、電動轉(zhuǎn)向和電子穩(wěn)定編程系統(tǒng)及H.I.D燈使用的點火電路。它們還是集成式起動器/交流發(fā)電機的關(guān)鍵組件。
                        

　　圖2 一個DC馬達驅(qū)動器中四個MOSFET的H電橋配置

                     
　　                  圖3 MOSFET示意圖和等效電路。

　　圖2顯示了驅(qū)動DC馬達的H電橋拓撲中使用的MOSFET實例。這一配置提供了前向、后向和制動功能。

　　在作為開關(guān)使用時，MOSFET的基本功能是通過門信號控制漏電流。在這些應用中，開關(guān)時間是電路設(shè)計人員選擇元件時考慮的一個重要指標。MOSFET的開關(guān)性能取決于通過內(nèi)部電容建立電壓變化所需的時間(參見圖3)。注意，門源電壓必須先把MOSFET的輸入電容變成特性門限電平，然后漏電流才能起動。

　                  　圖4 測量電源MOSFET開關(guān)時間的設(shè)置。

　　                圖5 AFG3011直接在顯示器上顯示幅度。

　　                     圖6 測量電源MOSFET的開關(guān)時間。

　　與時間相關(guān)需要關(guān)注的參數(shù)是起動時延和關(guān)閉時延及上升時間和下降時間。為測量這些參數(shù)，應使用來自信號發(fā)生器輸入的窄脈沖激勵MOSFET的門，然后使用示波器測量門電壓和漏電壓(參見圖4)。

　　通過使用集成高幅度輸出階段的任意波形/函數(shù)發(fā)生器，而不是外部放大器，用戶可以直接查看MOSFET輸入電路上的有效信號幅度，而不需使用示波器測量幅度。

　　現(xiàn)在，通過示波器屏幕顯示的曲線中的光標測量，可以方便地確定起動時延。起動時延是從門源電壓達到最后值10%時到漏源電壓下降到初始值90%時所需的時間。類似的，關(guān)閉時延是從門源電壓下降到前一水平90%時到漏源電壓上升到供電電壓10%時所需的時間。為測量漏極信號的上升時間和下降時間，現(xiàn)代示波器提供了方便的自動化測量功能。

     　　                     圖7 IGBT電路符號和等效電路。

　              　圖8 IGBT門驅(qū)動電路和開關(guān)測試電路。

　　分析IGBT的開關(guān)波形

　　近幾年來，由于高開關(guān)速度、高電流功能、大阻塞電壓和簡單的門驅(qū)動特點，同時由于較低的傳導損耗及較低的狀態(tài)電壓下跌水平，絕緣門雙極晶體管(IGBT)在工業(yè)應用和汽車應用中正日益替代MOSFET。

　　IGBT的工業(yè)應用包括牽引、變速馬達驅(qū)動器、不間斷電源(UPS)、感應加熱、焊接及電信和服務(wù)器系統(tǒng)中的高頻開關(guān)式電源。在汽車行業(yè)中，點火線圈驅(qū)動電路、馬達控制器和安全相關(guān)系統(tǒng)對IGBT的需求非常龐大。

　　IGBT是雙極晶體管和MOSFET的交叉。在輸出開關(guān)和傳導特點方面，IGBT與雙極晶體管類似。但是，雙極晶體管是流控式的，IGBT與MOSFET則是壓控式的。為保證完全飽和及限制短路電流，建議門驅(qū)動電壓為+15V。

　　與MOSFET一樣，IGBT在門、發(fā)射器和集電極之間有電容。在門端子和發(fā)射器端子之間應用電壓時，會以指數(shù)方式通過門電阻器RG對輸入電容充電，直到達到IGBT的特性門限電壓，確定集電極到發(fā)射器傳導。同樣，輸入門到發(fā)射器電容必須被放電到某個高原穩(wěn)定電壓，然后才能中斷集電極到發(fā)射器傳導，關(guān)閉IGBT。

　　門電阻器的尺寸對IGBT的起動特點和關(guān)閉特點有著明顯的影響。門電阻器越小，IGBT門到發(fā)射器電容充電和放電的速度越快，因此其開關(guān)時間短，開關(guān)損耗小。但是，由于IGBT的門到發(fā)射器電容和引線的寄生電感，門電阻器值小也會導致振蕩。為降低關(guān)閉損耗，改善IGBT對通過集電極到發(fā)射器電壓變化速率注入的噪聲的免疫力(這種噪聲對電感負荷可能會具有實質(zhì)性影響)，建議門驅(qū)動電路包括實質(zhì)性的開關(guān)偏置。

　　IGBT的最佳性能隨應用變化，必須相應地設(shè)計門驅(qū)動電路。在硬開關(guān)應用中，如馬達驅(qū)動器或不間斷電源，必須選擇門驅(qū)動參數(shù)，以便開關(guān)波形不會超過IGBT的安全工作區(qū)。這可能意味著犧牲開關(guān)速度，要以開關(guān)損耗為代價。在軟開關(guān)應用中，開關(guān)波形完全落在安全工作區(qū)內(nèi)，可以把門驅(qū)動設(shè)計成短開關(guān)時間及較低的開關(guān)損耗。

　　                          圖9. IGBT的開關(guān)波形。

　　為優(yōu)化IGBT門驅(qū)動設(shè)計，設(shè)計工程師必須了解設(shè)備在實際負荷條件下的開關(guān)特點。為分析這些開關(guān)特點，可以使用一系列單個脈沖激勵I(lǐng)GBT的門，同時使用示波器測量門到發(fā)射器電壓、集電極到發(fā)射器電壓和集電器電流。由于能夠生成高幅度脈沖，AFG3011任意波形/函數(shù)發(fā)生器特別適合完成這一任務(wù)。由于IGBT的集電極到發(fā)射器電壓對電感負荷的動態(tài)范圍非常高，因此要求使用高壓差分探頭進行測量?？梢允褂脴藴薀o源探頭測量門到發(fā)射器電壓，使用非插入型電流探頭測量集電極電流。
　　圖9顯示了帶電感負荷的IGBT的典型開關(guān)波形。從這些波形中，設(shè)計工程師可以確定開關(guān)能量、狀態(tài)損耗及IGBT是否在安全工作區(qū)域內(nèi)工作。然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)，工程師可以確定選定的脈沖重復頻率、幅度和邊沿跳變是否足以實現(xiàn)設(shè)計目標。如果需要調(diào)節(jié)，可以通過AFG3011前面板上的快捷鍵直接進入所有脈沖參數(shù)。然后可以通過旋轉(zhuǎn)旋鈕或數(shù)字鍵改變參數(shù)，而不會有定時毛刺，也不必中斷測試。

　　在測量過程中，必須考慮各種因素，如傳播時延(偏移)、偏置和探頭固有的噪聲。工程師將發(fā)現(xiàn)，使用的示波器最好帶有軟件工具，能夠處理探頭相關(guān)問題，自動計算開關(guān)功率損耗，確定IGBT的安全工作區(qū)域。

　　信號幅度和負荷阻抗

　　信號發(fā)生器提供的輸出電壓取決于連接的負荷或被測設(shè)備的阻抗，其原因在于發(fā)生器的輸出阻抗。例如，圖10顯示了AFG3011的等效輸出電路。根據(jù)幅度設(shè)置，儀器提供了某個電流I。如果50歐姆的負荷ZDUT連接到發(fā)生器輸出上，一半的I流經(jīng)發(fā)生器的輸出阻抗ZOUT，另一半流經(jīng)ZDUT。如果ZDUT的阻抗明顯大于ZOUT，那么幾乎所有I都流經(jīng)ZOUT，導致輸出電壓幾乎是50歐姆負荷的兩倍。

　　                   圖10 AFG3011的等效輸出電路。

　　任意波形/函數(shù)發(fā)生器的產(chǎn)品技術(shù)資料一般會規(guī)定50歐姆負荷和高阻抗負荷的最大輸出幅度。例如，AFG3011規(guī)定的輸出幅度對50歐姆負荷是20 Vpp，對開路是40 Vpp。對其它負荷阻抗值，可以使用下述公式計算最大輸出電壓：

　　在標準設(shè)置中，任意波形/函數(shù)發(fā)生器通常配置成50Ω的負荷阻抗。對其它負荷阻抗，阻抗值可以配置到儀器中，可以顯示正確的幅度和偏置值。在AFG3000系列中，負荷阻抗設(shè)置在Output菜單中進行，按所需的功能鍵如“Sine”后可以進入菜單。
                             

　　                  圖11 AFG3000系列上的負荷阻抗選擇。

　　請注意，負荷阻抗設(shè)置既不會改變發(fā)生器的輸出阻抗，也不會改變負荷阻抗本身。它只會影響幅度和偏置顯示，保證儀器顯示連接的負荷中正確的有效幅度值。

　　結(jié)語

　　現(xiàn)代任意波形/函數(shù)發(fā)生器如AFG3011可以為50歐姆負荷生成高達20 Vpp的信號幅度，而不需使用外部提升放大器。這簡化了許多應用中的測試，降低了設(shè)備成本。它還節(jié)約了測量時間，因為發(fā)生器直接在顯示屏上顯示有效幅度，而不必使用伏特計進行單獨測量。

　　除本指南中描述的測試應用外，還可以使用高幅度任意波形/函數(shù)發(fā)生器測試顯示器、MEMS技術(shù)、螺線管及質(zhì)譜儀和相關(guān)科學應用。